Bahan Ajar Laju Reaksi
FAKTOR –FAKTOR LAJU REAKSI
Setelah mempelajari materi ini diharapkan siswa dapat: -
Menganalisis faktor-faktor faktor-faktor yang y ang mempengaruhi laju reaksi.
1
Bahan Ajar Laju Reaksi
Reaksi kimia tidak akan pernah terlepas dalam kehidupan kita. Reaksi tersebut terjadi dengan kecepatan yang bervariasi. Misalnya saja ketika ibu membuat teh. Mengapa harus dengan air mendidih? Mengapa tidak menggunakan air yang sudah dingin? Atau mengapa ketika kalian membuat minuman teh manis, gula yang dimasukkan ke dalam larutan teh harus kalian aduk? Mengapa tidak dibiarkan saja melarut dengan sendirinya. Mengapa makanan seperti daging, tempe,ketika dimasukkan lemari es menjadi lebih awet dibandingkan jika ditaruh di lemari biasa? Mengapa ibu saat memasak daging harus dibungkus dengan daun papaya atau daging tersebut dipotong dadu terelebih dahulu? Dan masih banyak pertanyaan lain dalam kehidupan sehari-hari yang berhubungan dengankecepatan berlangsungnya reaksi suatu at. !arutan teh biasanya dibuat dalam air panas, karena jika dibuat dalam airdingin, maka sari teh tidak dapat atau sukar larut dalam air. "engadukangula ketika membuat teh manis bertujuan agar gula cepat larut. "enyimpanan makanan dalam lemari es atau #reeer bertujuan agar reaksi berjalan lambat atau bahkan berhenti.Makanan yang ditaruh di dalam lemari es mengakibatkan reaksi pembusukan menjadi berjalan lambat sehingga makanan dapat lebih awet. Reaksi kimia dapat dipercepat atau diperlambat dengan cara memberi perlakuan tertentu. $eberapa perlakuan yang dapatmempengaruhi kecepatan terjadinya reaksi dinamakan #aktor#aktor yang berpengaruh terhadap laju reaksi. $anyak #aktor yang dapat mempengaruhi cepat lambatnya reaksi. %aktor-#aktor tersebut antara lain adalah luas permukaan materi, suhu, konsentrasi, dan katalis. "ada bab ini akan dijelaskan tentang pengaruh #aktor-#aktor tersebut terhadap laju reaksi.
Gambar 1. !emari es
Gambar 2. Melarutkan gula dengan air panas.
Gambar 3. Daging yang dibungkus daun pepaya.
Gambar 4. Daging dipotong dadu.
Konsentrasi Reaktan &ecara umum konsentrasi pereaksi akan mempengaruhi laju reaksi. "engaruh konsnetrasi terhadap laju reaksi adalah khas untuk setiap reaksi.pada reaksi orde ' perubahan konsentrasi pereaksi tidak berpengaruh terhadap laju reaksi. Reaksi orde ( menyatakan bahwa setiap kenaikan konsnetrasi dau kali akan mempercepat laju reaksi menjadi ) kali lebih cepat, sedangkan untuk reaksi orde ) bila konsentrasinya diperbesar menjadi ) kali maka laju reaksinya menjadi empat kali lebih cepat. &uatu larutan dengan konsentrasi tinggi tentu mengandung molekul-molekul yang lebih rapat dibandingkan dengan konsentrasi larutan rendah. !arutan dengan konsentrasi tinggi merupakan larutan pekat dan larutan dengan konsentrasi rendah merupakan larutan encer. "engaruh konsentrasi terhadap laju reaksi ini dapat dijelaskan dengan model teori tumbukan. &emakin tinggi konsentrasi berarti semakin banyak molekul-molekul dalam setiap satuan luas ruangan, dengan demikian tumbukan antar molekul semakin sering terjadi, semakin banyak 2
Bahan Ajar Laju Reaksi
tumbukan yang terjadi berarti kemungkinan untuk menghasilkan tumbukan e#ekti# semakin besar, sehingga reaksi berlangsung lebih cepat. Semakin tinggi konsentrasi semakin banyak kemungkinan untuk menghasilkan tumbukan efektif sehingga reaksi berlangsung lebih cepat.
Luas Permukaan Bidang Sentuh "ada reaksi heterogen *wujud tidak sama+ seperti logam ink dengan larutan asam klorida, laju reaksi selain dipengaruhi oleh konsnetrasi asam klorida juga dipengaruhi oleh kondisi logam ink. Dalam jumlah *massa+ yang sama butiran logam ink akan bereaksi lebih lambat daripada serbuk ink.Reaksi terjadi antara molekul-molekul asam klorida dalam larutan dengan atom-atom ink yang bersentuhan langsung dengan asam klorida. "ada butiran ink, atom-atom ink yang bersentuhan langsung dengan asam klorida lebih sedikit daripada serbuk ink, sebab atom-atom ink yang bersentuhan hanya atom ink yang ada dipermukaan butiran. Akan tetapi bila butiran ink tersebut dipecah menjadi butiran-butiran yang lebih kecil atau menjadi serbuk, maka atom-atom ink yang semula di dalam akan berada dipermukaan dan terdapat lebih banyak atom ink yang secara bersamaan bereaksi dengan larutan asam klorida. Dengan semakin kecil ukuran suatu materi, makamengandung arti memperluas permukaan sentuh materi tersebut.$ayangkan. ika kalian mempunyai benda berbentuk kubusdengan ukuran rusuk panjang, lebar, dan tinggi sama, yaitu ( cm.$erapa luas permukaan kubus tersebut? &ecara matematika dapatdihitung bahwa luas permukaan kubus sebesar kali luas sisinya.arena kubus mempunyai sisi yang sama, maka jumlahluas permukaannya adalah / ( cm / ( cm 0 cm ). &ekarangjika kubus tersebut dipotong sehingga menjadi 1 buah kubus yangsama besar, maka keempat kubus akan mempunyai panjang,lebar, dan tinggi masingmasing ',2 cm. !uas permukaan untuksebuah kubus menjadi / ',2 cm / ',2 cm 0 (,2 cm ). umlah luaspermukaan kubus menjadi 1 / (,2 cm ) 0 () cm ). adi, denganmemperkecil ukuran kubus, maka luas permukaan total menjadisemakin banyak. 3itunglah jika kubus diperkecil menjadi kubus-kubus yang lebih kecil sehingga ukuran rusuknya menjadi ( mm.
Gambar 5. ika ukuran kubusdiperkecil, makaluas permukaantotal semakinbesar.
ika ukuran partikel suatu benda semakin kecil, maka akansemakin banyak jumlah total permukaan benda tersebut. Dengan menggunakan teori tumbukan dapat dijelaskan bahwa semakin luas permukaan bidang sentuh at padat semakin banyak tempat terjadinya tumbukan antar partikel at yang bereaksi sehingga laju reaksinya makin cepat.
3
Bahan Ajar Laju Reaksi
Semakin luas permukaan bidang sentuh zat padat semakin banyak tempat terjadinya tumbukan antar partikel zat yang bereaksi sehingga laju reaksinya makin cepat.
Suhu &etiap partikel selalu bergerak. Dengan menaikkan temperatur, energi gerak atau energi kinetik partikel bertambah, sehingga tumbukan lebih sering terjadi. Dengan #rekuensi tumbukan yang semakin besar, maka kemungkinan terjadinya tumbukan e#ekti# yang mampu menghasilkan reaksi juga semakin besar. &uhu atau temperatur ternyata juga memperbesar energi potensial suatu at. 4at-at yang energi potensialnya kecil, jika bertumbukan akan sukar menghasilkan tumbukan e#ekti#. 3al ini terjadi karena at-at tersebut tidak mampu melampaui energi aktivasi. Dengan menaikkan suhu, maka hal ini akan memperbesar energi potensial, sehingga ketika bertumbukan akan menghasilkan reaksi. Semakin tinggi suhu, maka molekul-molekul yang mencapai energi aktivasi semakin banyak, sehingga laju reaksi semakin cepat berlangsung.
Gambar 6. 5ra#ik "engaruh &uhu terhadap 6nergi inetik "artikel
Rumus nilai peningkatan laju reaksi 7 −T 0 ∆T
T
( )
r = ∆r
T −T 0
∆T
xr 0
t
1 = ∆r
x t 0
eterangan7 r 0 laju reaksi akhir r' 0 laju reaksi awal t 0 waktu akhir t' 0 waktu awal 8r 0 kenaikkan laju reaksi 9 0 suhu pada laju reaksi akhir 4
Bahan Ajar Laju Reaksi
9o 89
0 suhu pada laju reaksi awal 0 kenaikkan suhu
:ontoh soal7 (. 3arga laju reaksi bertambah ); jika suhu dinaikkan (' ':. Reaksi A < $ = : mempunyai harga laju reaksi ); mol>!. detik pada suhu (2 ':. ika reaksi tersebut dilakukan pada suhu 2 ':. 9entukan perubahan laju reaksinya@ awaban7
r
= ( ∆r ) 2
−
75 15 10
− ∆T
T T 0
xr 0
x( xm ol / L. det ik )
r0 r 0 *) + ; *); mol>!. detik+ 0 ()1; mol>!.detik Maka "erubahan laju reaksinya 0 ()1;. ). 9iap kenaikkan suhu )' ': laju reaksi menjadi ); lebih cepat dari semula, jika pada suhu )'': reaksi berlangsung selama ) menit, tentukan waktu reaksi pada suhu 1' ':. − ∆T
T T 0
t
= 1 ∆r
xt 0
awaban7
t
−
80 20 20
= 2 1
x32
3
1 x32 t = 2
t
1 = x32 = 4 8
maka waktu reaksi pada suhu 1' ': adalah B menit.
Katalis
5
Bahan Ajar Laju Reaksi
$eberapa reaksi kimia yang berlangsung lambar dapat dipercepat dengan menambahkan suatu at ke dalamnya, tetapi at tersebut setelah reaksi ternyata tidak berubah. Misalnya pada pengurain kalium klorat untuk menghasilkan gas oksigen. ):lC*s+ ):l *s+ < C) *g+ Reaksi berlangsung pada suhu tinggi dan berjalan lambat, tetapi dengan penambahan ristal MnC ) ke dalamnya ternyata reaksi akan dapat berlangsung dengan lebih cepat pada suhu yang lebih rendah. &etelah semua :lC terurai, ternyata MnC ) masih tetap ada *tidak berubah+. Dalam reaksi tersebut MnC ) disebut sebagai katalis.atalis adalah suatu at yang dapat mempercepat laju reaksi, tanpa dirinya mengalamu perubahan yang kekal. &uatu katalis mungkin dapat terlibat dalam proses reaksi atau mengalami perubahan selama reaksi berlangsung, tetapi setelah reaksi itu selesai maka katalis akan diperoleh kembali dalam jumlah yang sama. "eranan katalis dalam menurunkan energi pengakti#an dapat dilihat pada gra#ik di bawah ini7
Gambar . 5ra#ik tingkat energi reaksi dengan katalis
atalis mempercepat reaksi dengan cara mengubah jalannya reaksi. alur reaksi yang ditempuh tersebut mempunyai energi aktivasi yang lebih rendah dari jalur reaksi yang ditempuh tanpa katalis. adi dapat dikatakan bahwa katalis berperan dalam menurunkan energi aktivasi.
Katalis adalah zat yang dapat mempercepat laju reaksi dengan cara menurunkan/memperkecil energi aktivasi.
9erdapat ada dua cara yang dilakukan katalis dalam mempercepat reaksi, yaitu dengan membentuk senyawa antara dan yang kedua dengan cara adsorpsi. 1. Pembentukan Sen!a"a antara mumnya reaksi berjalan lambat bila energi aktivasi suatu reaksi terlalu tinggi. Agar reaksi terlalu tinggi. Agar reaksi dapat berlangsung lebih cepat, maka dapat dilakukan dengan cara menurunkan energi aktivasi. ntuk menurunkan energi aktivasi dapat dilakukan dengan mencari senyawa antara *keadaan transisi+ lain yang berenergi lebih rendah. %ungsi katalis dalam hal ini mengubah jalannya reaksi sehingga diperoleh senyawa antara. Katalis 6
Bahan Ajar Laju Reaksi
homogen (katalis mempunyai fase sama dengan zat pereaksi yang dikatalis) bekerja dengan cara ini. $erikut ini merupakan skema umum reaksi katalitik, di mana : melambangkan katalisnya7 A < : = A: *(+ $ < A: = A$ < : *)+ Meskipun katalis *:+ termakan oleh reaksi (, namun selanjutnya dihasilkan kembali oleh reaksi ), sehingga untuk reaksi keseluruhannya menjadi, A < $ < : = A$ < : 2. #dsor$si "roses katalisasi dengan cara adsorpsi umumnya dilakukan oleh katalis heterogen, yaitu katalis yang #asenya tidak sama dengan #ase at yang dikatalis *khususnya reaksi gas dengan katalis padat+. "ada proses ini, molekul-molekul pereaksi akan teradsorpsi pada permukaan katalis, dengan terserapnya pereaksi dipermukaan katalis mengakibatkan at-at pereaksi terkonsentrasi dipermukaan katalis dan akan mempercepat laju reaksi. emungkinan yang lain, karena pereaksi-pereaksi teradsorpsi di permukaan katalis akan dapat menimbulkan gaya tarik antar molekul yang bereaksi, dan ini menyebabkan molekulmolekul tersebut menjadi reakti#. Agar katalis tersebut berlangsung e#ekti#, katalis tidak boleh mengadsorpsi at hasil reaksi, dan dengan demikian permukaan logam akan segera ditempati oleh molekul baru. $ila at pereaksi atau pengotor teradsorpsi dengan kuat oleh katalis maka akan menyebabkan permukaan katalis tidak akti#. Dalam keadaan tersebut, katalis dikatakan telah teracuni, dan ini akan menghambat reaksi. :ontoh katalis adsorpsi adalah nikel pada pembuatan margarine, untuk mengkatalis reaksi antara gas hidrogen dengan lemak atau minyak menjadi margarine. "ada industri asam sul#at digunakan katalis E )C2 untuk mempercepat reaksi antara gas &C ) dan C) menjadi &C .
7
Bahan Ajar Laju Reaksi
HUKUM LAJU ORDE REAKSI
r
DAN
r
r
r
r
r
8
Bahan Ajar Laju Reaksi
Setelah mempelajari materi ini diharapkan siswa dapat: - Menentukan orde reaksi berdasarkan hasil percobaan - Menuliskan persamaan laju reaksi
Dari percobaan penentuan laju reaksi menunjukkan bahwa laju reaksi akan menurun dengan bertambahnya waktu. 3al itu berarti ada hubungan antara konsentrasi at yang tersisa saat itu dengan laju reaksi. Dari percobaan-percobaan diketahui bahwa umumnya laju reaksi tergantung pada konsentrasi awal dari zat-zat pereaksi , pernyataan ini dikenal sebagai hukum laju reaksi atau persamaan laju reaksi."ada umumnya hubungan antara laju reaksi dengan konsentrasi at-atpereaksi hanya diturunkan dari data eksperimen. $ilangan pangkat yangmenyatakan hubungan konsentrasi at pereaksi dengan laju reaksi disebut ordereaksi.ntuk reaksi berikut7 A
-Ea/RT
Ea ln k = ln A –
RT
dengan k 0 tetapan laju reaksi, 6a 0 energi pengakti#an reaksi, A 0 tetapanArrhenius, 9 0 temperatur dalam , dan R 0 tetapan gas ideal. 6nergi pengakti#anadalah energi minimum agar molekul-molekul dapat bereaksi. &emakin tinggitemperatur, nilai eksponen negati# semakin kecil, sehingga nilai k semakin besaryang berarti bahwa laju semakin cepat 9
Bahan Ajar Laju Reaksi
9 naik
k naik
laju reaksi naik
$eberapa contoh reaksi dan persamaan laju reaksi yang diperoleh dari hasileksperimen dapat dilihat pada %abel 1. %abel1. :ontoh reaksi dan rumus laju reaksi berdasarkan hasil percobaan
Reaksi 2 '2(g) ( 2 )*(g) + 2 '2*(g) ( )2(g) '2(g) ( ,2(g) + 2 ',(g) 2 ',(g) + '2(g) ( ,2(g) 2 '2(g) ( S*2(g) + 2 '2*(g) ( S(g) 2 '2*2(aq) + 2 '2*(l) ( *2(g)
Rumus La&u Reaksi r 0 kF3 )GFHCG) r 0 kF3)GFI)G r 0 kF3IG) r 0 kF3)GF&C)G r 0 kF3)C)G)
Crde reaksi dapat ditentukan dari persamaan laju reaksi. Misalnya pada reaksi berikut7 ) 3)*g+ < ) HC*g+ = ) 3 )C*g+ < H )*g+ dengan persamaan laju reaksi r 0 kF3)GFHCG) Crde reaksi terhadap 3 ) 0 orde satu, orde reaksi terhadap HC 0orde dua, dan orde reaksi total adalah tiga.Crde reaksi ditentukan melalui hasil percobaan dan tidak bergantung pada persamaan stoikiometri.$eberapa orde reaksi yang umum terdapat dalam persamaan reaksi kimia adalah orde nol, orde satu dan orde dua.
Reaksi *rde )ol /0 &uatu reaksi kimia dikatakan mempunyai orde nol, jika besarnya laju reaksi tersebut tidakdipengaruhi oleh konsentrasi pereaksi. Artinya,seberapapun peningkatan konsentrasi pereaksitidak akan mempengaruhi besarnya laju reaksi.&ecara gra#ik, reaksi yang mempunyai ordenol dapat dilihat pada Gambar -. "ersamaan reaksi yang berorde ' 7 r 0 k FAG '
r
r
Gambar-. 5ra#ik reaksi orde nol *o+
ada orde reaksi ! perubahan konsentrasi tidak mempengaruhi laju reaksi
Reaksi *rde Satu 10 10
Bahan Ajar Laju Reaksi
&uatu reaksi kimia dikatakan mempunyai orde satu, apabila besarnyalaju reaksi berbanding lurus dengan besarnyakonsentrasi pereaksi. Artinya, jika konsentrasi pereaksi dinaikkan dua kali semula, maka laju reaksijuga akan meningkat besarnya sebanyak *)+ ( atau) kali semula juga.&ecara gra#ik, reaksi orde satu dapat digambarkan seperti terlihat pada Gambar . "ersamaan laju reaksi7 r 0 k FAG r
r
Gambar. 5ra#ik reaksi orde satu *(+
ada orde reaksi " kenaikkan konsentrasi "# akan menaikkan laju reaksi "#
Reaksi *rde ua 20 &uatu reaksi dikatakan mempunyai orde dua, apabila besarnya laju reaksi merupakan pangkat dua dari peningkatan konsentrasi pereaksinya. Artinya, jika konsentrasi pereaksi dinaikkan ) kali semula, maka laju reaksi akan meningkat sebesar *)+ ) atau B kali semula. Apabila konsentrasi pereaksi dinaikkan kali semula, maka laju reaksi akan menjadi *+ ) atau J kali semula. &ecara gra#ik, reaksi orde dua dapat digambarkan pada Gambar 1/. "ersamaan laju reaksi 7 r 0 k FAG ( F$G( K E 0 k FAG ) K E 0 k F$G ) r
Gambar 1/. 5ra#ik reaksi orde dua *)+
ada orde reaksi $ kenaikkan konsentrasi "# akan menaikkan laju reaksi $#
11
Bahan Ajar Laju Reaksi
ontoh Soal 5as nitrogen oksida dan gas klor bereaksi pada suhu '' menurut persamaan7 )HC%g& < :l)%g&L ) HC:l%g& !aju reaksi diikuti dengan mengukur pertambahan konsentrasi HC:l dan diperoleh data sebagai berikut. %abel 2. Data hasil percobaan reaksi antara HC%g& dan :l)%g&
Perobaan
l2 mol L71 ',(' ',(' ',(' ',)' ','
( ) B 2
)* mol L71 ',(' ',)' ',' ',(' ',('
La&u Pemebentukan )*lmol L71detik710 ','''( ','''B ','''J ',''') ','''
$erdasarkan data tersebut maka7 a. 9entukan orde reaksi terhadap HC, terhadap :l ), dan orde reaksi total@ b. 9ulis persamaan laju reaksi. c. 3itung harga k. Pen!elesaian8 a. Crde reaksi terhadap HC *gunakan data nomor ( dan )+ Cl m
n
k . [¿ ¿ 2 ] 2 [ NO ]2 r1 r2
m
=
n
k . [ Cl 2] 1 [ NO ]1
¿ 0,1 molL 0,10 molL 0,1 molL 0,20 molL m
n
k . (¿¿− 1) . (¿ ¿−1 )
¿
n
m
k . (¿¿−1 )
. (¿ ¿−1 )
¿
¿
−1
detik
−1
detik
0,0001 molL 0,0004 molL
−1 −1
=¿
() ( ) =( ) 1 4
=
1 2
2
1
n
2
1
n
2
12
Bahan Ajar Laju Reaksi
n
¿2
adi, orde reaksi terhadap HC adalah ). $andingkan hasilnya bila menggunakan data nomor ( dengan atau ) dengan . Crde reaksi terhadap :l ) *gunakan data nomor ( dan B+ Cl m
n
k . [¿¿ 2 ] 4 [ NO ]4 r1 r4
m
=
n
k . [ Cl ]1 [ NO ]1
¿ 0,10 molL 0,10 molL 0,20 molL 0,10 molL m
n
k . (¿¿−1) . (¿¿−1)
¿
n
m
k . (¿¿−1 )
. (¿¿−1)
¿
¿
0,0001 molL
−1
detik
0,0002 molL
−1
detik
1 2
=
−1 −1
=¿
() 1
n
2
n =1
adi, orde reaksi terhadap :l ) adalah (. Crde reaksi total 0 m < n 0 ( < ) 0 b. Rumus laju reaksi yaitu7 r 0 k F:l)GFHCG) c. ntuk menghitung k dapat menggunakan salah satu data, misalnya data nomor 2. '0k . F:l)G FHCG) ',''' mol ! -( detik -( 0 k .F', mol ! -(GF',(' mol ! -(G) 0,0003 molL
k0
3
−1
detik
0,003 mol L L
0 ',(
−1
−3
2
3
mol deik
13